우주의 신경과학

Neuroscience in space

우주 신경과학은 우주 비행 중 중추 신경계 기능에 대한 과학적 연구이다.생물계는 감각의 입력을 통합하여 환경을 탐색하고 자세, 이동 및 눈의 움직임을 조정할 수 있습니다.중력은 이러한 기능을 제어하는 데 기본적인 역할을 한다.우주 비행 중 무중력 상태에서는, 자유 낙하 중에 중력이 더 이상 감지되지 않기 때문에, 감각 입력을 통합하고 운동 반응을 조정하는 것이 더 어렵습니다.예를 들어, 전정 시스템의 이석 기관은 서 있을 때 중력에 대해 더 이상 머리 기울기를 신호로 하지 않습니다.하지만, 그들은 여전히 몸의 움직임 동안 머리 변환을 감지할 수 있습니다.중력 입력이 처리되는 방법의 모호성과 변화는 지각의 잠재적 오류를 초래할 수 있으며, 이는 공간적 방향과 정신적 표현에 영향을 미친다.전정계의 기능 장애는 궤도의 우주 멀미와 지구 귀환 [1]후 균형 장애와 같이 우주 비행 중과 직후에 흔하다.

무중력 상태에 적응하는 것은 감각 운동 결합 기능뿐만 아니라 일부 자율 신경계 기능도 포함합니다.수면 장애와 기립불내증 또한 우주 비행 중과 후에 흔하다.무중력 환경에서는 정수압이 없습니다.그 결과 체액이 상체를 향해 재분배되면 다리 부피의 감소가 일어나 근육 점도와 적합성에 영향을 미칠 수 있다.두개내 압력의 증가는 또한 근시력 [2]저하를 야기할 수 있다.또한 무중력 상태의 부하가 감소함에 따라 근육량과 힘 모두 감소한다.게다가, 약 70%의 우주 비행사들이 첫 [3]날 동안 어느 정도 우주 멀미를 경험한다.스코폴라민과 프로메타진과 같은 멀미를 퇴치하기 위해 일반적으로 사용되는 약들은 최면 효과가 있다.이러한 요소들은 만성피로를 초래할 수 있다.통합 우주 의학과 생리의 과제는 모든 신체 기능이 연결되어 상호 작용하기 때문에 단순히 신체 부위의 합계가 아니라, 인체의 우주 비행에 대한 적응을 조사하는 것이다.

우주 신경과학의 역사

우주 신경과학은 인간이 우주 비행을 하는 동안과 후에 중추 신경계 기능에 대한 과학적인 연구이다.

현재까지 인간을 궤도에 쏘아 올릴 수 있는 능력을 가진 나라는 미국, 러시아, 중국 세 나라뿐이다.하지만, 30개 이상의 다른 나라에서 온 520명의 우주 비행사들이 우주를 날았고 그들 중 많은 사람들이 우주 신경 과학 연구에 참여했다.1957년 11월 3일 스푸트니크를 타고 궤도를 도는 최초의 살아있는 동물의 발사는 지금까지 [4]50년 이상에 걸친 우주 생명 과학에서 독특한 과학적, 기술적 업적의 풍부한 역사의 시작을 알렸다.

러시아 보스토크 우주선에 탑승한 세 번째 인간 임무 중에 최초로 기록된 우주 신경과학 실험이 수행되었다.이러한 실험은 이전 임무의 승무원들이 무중력 상태에서 메스꺼움과 공간적 방향감각을 호소하면서 시작되었다.우주 신경과학 실험은 일반적으로 스카이랩과 살류트 우주 정거장이 CNS 기능에 미치는 중력의 영향에 대한 보다 근본적인 연구를 위해 이용 가능하게 될 때까지 이러한 운영 문제를 다루었다.1962년 8월 보스토크 3호에서 2007년 [5]10월 국제우주정거장에 탑승한 Expedition-15호까지 약 400회의 우주 신경과학 실험이 수행되었다.

운용 측면

지구 저궤도에 도착했을 때의 감각과 감각 운동 장애는 잘 기록되어 있으며, 그 중 가장 잘 알려진 것이 우주 멀미이다.개인차이, 우주선 크기, 몸의 움직임 등이 SMS 증상을 일으킨다.일반적으로 무중력 상태에서 처음 3~4일간 지속되며, 증상은 두통 및 피로에서 메스꺼움과 구토에 이르기까지 다양하다.결과는 단순한 불편함에서 가능한 무력화까지 다양하며, 우주선의 외부 활동, 재진입, 비상 탈출 중에 잠재적인 문제를 일으킨다.신체는 무중력 상태에서 시각, 신체 감각 및 전정 기관으로부터 다양한 상반된 신호를 받습니다.이러한 모순된 입력은 SMS의 주요 원인으로 생각되지만, 충돌의 정확한 메커니즘은 잘 이해되지 않습니다.증상을 완화하기 위해 현재 사용되는 약물은 바람직하지 않은 [6]부작용을 일으킨다.

우주 비행사들은 복잡한 장비를 운용하는 동안 경각심을 갖고 경계해야 한다.그러므로 충분한 수면을 취하는 것은 미션 성공의 중요한 요소이다.무중력 상태, 제한적이고 고립된 환경, 바쁜 일정과 24시간 동안의 규칙적인 부재는 우주에서의 잠을 어렵게 만든다.우주 비행사들은 보통 매일 밤 평균 6시간 정도만 잔다.누적적인 수면 손실과 수면 중단은 임무 성공에 상당한 위험을 초래하는 수행 오류와 사고로 이어질 수 있습니다.수면과 일주기 주기는 또한 광범위한 생리, 호르몬, 행동 및 인지 기능을 일시적으로 조절합니다.

장기간의 우주 비행 동안 수면 손실을 방지하고, 인간의 실수를 줄이고, 정신적 신체적 성과를 최적화하는 방법들이 연구되고 있다.특히 우주 환경이 의사결정과 같은 고차 인지 과정에 미치는 영향과 중력의 변화가 정신 기능에 미치는 영향을 포함하는데, 이는 미래의 행성간 우주 [7]임무에 대한 대응책으로 인공 중력이 고려된다면 중요할 것이다.또한 승무원이 비행 관리 업무를 효과적으로 수행할 수 있는 능력을 평가하기 위해 인간 반응 측정 기술을 개발할 필요가 있다.우주 비행 중 정신적 부하, 스트레스, 업무 참여 및 상황 인식을 평가하기 위해서는 간단하고 신뢰할 수 있는 행동 및 심리 생리학적 반응 측정 시스템이 필요하다.

공간에서의 감각 기능

지구상의 모든 생물들은 그들의 내부와 외부 환경의 변화를 감지하고 반응할 수 있는 능력을 가지고 있다.인간을 포함한 유기체는 반응하기 전에 정확하게 감지해야 하며, 따라서 생존을 보장해야 한다.몸은 특수 감각 기관에 의해 환경을 감지한다.CNS는 근육 활동을 조정하고 정리하고 불편한 자세에서 벗어나고 균형을 적절하게 맞추기 위해 이러한 감각을 활용합니다.일반적으로 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각의 다섯 가지 다른 감각이 인식된다.이 모든 감각들은 무중력의 영향을 받는다.

사실, 인간의 몸은 다섯 개가 아닌 일곱 개의 감각 체계를 가지고 있다.여섯 번째와 일곱 번째 시스템은 내이에 위치한 운동 감각입니다.전자는 회전의 시작과 종료를, 후자는 차체 변환뿐만 아니라 중력에 상대적인 차체 기울기를 나타냅니다.7번째 시스템은 무중력 상태에서 틸트 정보를 제공하지 않습니다.다만, 신호 변환은 계속되기 때문에, CNS에의 구심 신호는 혼란스럽습니다.우주에서 생활하고 일하는 경험은 선형 가속 중에 CNS가 이석 기관 신호를 해석하는 방법을 변화시킵니다.피사체가 비행 중 요 각가속도에 노출될 경우 지각이 상당히 정확하지만, 피치와 롤의 각회전 및 차체 가로축과 세로축을 따라 선형가속 중에 장애가 발생한다.착륙 직후의 같은 동작으로 몸의 움직임의 지각도 변화한다.궤도에는 무중력 상태에 대한 적응이 있어 직선 [8]가속에 대한 비행 후 반응으로 이어집니다.

자세, 동작 및 운동

무중력 상태에 노출되면 접촉, 압력 및 중력에 대한 수용체로부터의 신호, 즉 자세 안정에 필요한 모든 정보가 변화한다.감각 정보의 중앙 처리에서 적응적 수정은 새로운 중력 환경에 적합한 운동 반응을 생성하기 위해 일어납니다.그 결과 우주인들이 무중력 환경에 적응함에 따라 지상 운동 전략은 점차 무중력 상태에서 포기된다.이것은 특히 아랫다리에서 발견되는 주요 자세 근육에 해당된다.그러면 감소된 중력으로 얻은 자세, 움직임, 이동의 변화는 귀환 시 지구의 중력에 부적절하다.착륙 후, 이러한 비행 중 신경 [9]재편의 결과로 임상적 운동 실조에 접근하는 자세의 불안정성이 나타난다.

서 있기, 걷기, 코너링, 계단 오르기, 그리고 걷는 속도가 느려지는 어려움은 우주 비행사들이 지구의 중력에 다시 적응할 때, 지상 운동 전략이 완전히 다시 습득될 때까지 경험됩니다.또한 우주 비행에 적응하면 착륙일에 장애물 코스를 통과하는 데 필요한 시간이 크게 증가하며, 기능적 이동성의 회복에는 평균 2주가 [10]소요된다.이러한 어려움은 우주 비행사가 비상시에 일어나거나 탈출하고 비행 후 우주선을 떠난 직후에 효과적으로 기능하는 능력에 악영향을 미칠 수 있다.따라서 자세와 이동 안정성의 심각한 장애의 원인을 파악하여 대책을 세우는 것이 중요하다.

우주비행사들이 달과 화성에 머무는 동안 직면하게 될 가장 큰 감각운동 문제는 우주복을 입고 걸어 다닐 때 발생할 가능성이 높다.슈트는 크고 부피가 커서 몸의 무게 중심을 바꾼다.이것은 울퉁불퉁한 지형과 제한된 시야와 함께 이동하기 어렵습니다.

눈동자 움직임

우주 비행 중 전정계의 기능은 단연코 가장 세심하게 연구되고 있다.이것은 특히 중력을 감지하는 이석 기관과 눈의 움직임에 대한 관계에서 해당된다.전정 반고리관 기능은 머리 요 회전을 보상하는 수평 안구 운동이 우주 비행의 영향을 받지 않기 때문에 무중력 상태에서는 변하지 않는 것으로 보인다.이석의 중력 자극이 없으면 미세 중력에서 헤드롤 회전 시 비틀림 전정안반사가 감소합니다.우주 비행사가 원심력에 노출되면 이러한 결손은 발생하지 않으며, 이는 적응형 CNS 변화가 [11]주변이 아닌 중앙에서 일어나고 있음을 시사합니다.

궤도에서의 첫 날 동안 움직이는 시각 장면에 대한 수직 눈 움직임의 비대칭성은 반전된다.그 후 전정안 및 광동역학적 반사 대칭으로의 복귀가 관찰된다.일부 연구는 대기 시간이 증가하고 천막의 피크 속도가 감소하는 것을 보여주었고, 다른 연구는 그 반대라는 것을 발견했습니다.이러한 상반된 결과는 임무 수행 중에 언제 조치를 취했느냐에 따라 달라질 수 있습니다.특히 [12]수직면에서는 부드러운 눈동자의 움직임이 심각하게 방해된다.

화성에 대한 인간의 임무는 서로 다른 중력 환경 사이의 몇 가지 변화를 포함할 것이다.이러한 변화는 결국 반사적인 눈의 움직임에 영향을 미칠 것이다.중요한 질문은 우주 비행사들이 중력 환경에 따라 빠르게 전환할 수 있는 서로 다른 일련의 반사작용을 가질 수 있는가 하는 것이다.이러한 상황에서 반사 안구 운동의 이중 적응 능력의 결정은 1g 환경에서 습득한 감각-운동 결합 기술이 다른 사람에게 어느 정도 전달될 것인지를 결정할 수 있도록 매우 중요하다.

공간 방향

국제우주정거장에 탑승한 한 우주인이 깊이와 거리의 변화를 평가하기 위한 우주 신경과학 실험을 수행하기 위해 머리에 장착된 디스플레이를 착용하고 있다.

무중력 상태에서, 우주 비행사들은 공간적인 방향을 유지하기 위해 시력에 훨씬 더 의존해야 한다. 왜냐하면 이석 기관들은 더 이상 "하향"의 신호를 보낼 수 없기 때문이다.그러나 장기간 노출되는 동안 의존도는 본질적인 신체 수직 기준 쪽으로 이동하는 것으로 보인다.지구 중력에 복귀하는 동안과 후에 수행되는 머리 움직임의 잘못된 착각은 아마도 전정 입력의 재해석 때문일 것이다.지상 연구에 따르면 CNS는 이석 기관에 의해 검출된 선형 가속의 주파수 함량에 기초하여 낮은 주파수는 "틸트"를 나타내고 높은 주파수는 "번역"을 나타내는 "틸트 변환" 모호성을 해결한다.크로스오버는 약 0.3Hz에서 존재하며, 이석 신호는 애매합니다.무중력 상태에 노출되면 이러한 교차 빈도가 변화하여 공간 방향 감각 상실과 문자 메시지 [13]발송에 기여할 수 있습니다.

비록 항법 및 정신적 회전과 같은 높은 인지 과정의 조사가 limited,[14]이 우주 비행사들을 자주는 실제보다 훨씬은 우주선 인테리어와 높은 길게 보이도록 3차원 개체의 높이의 감소를 관찰 중이라고 보고하 공중 pre-flight과, 제안하는 것 비해n알무중력 상태에서의 3차원 신호들의 정신적 표현에 있어서의 긴장감지각은 뉴턴의 운동 법칙을 전제로 하는 세계에 대한 가설인 뇌의 모델이다.이러한 법칙은 무중력 상태에서 변화하며, 따라서 우주 [15]비행 중 물체의 형태와 거리에 대한 정신적 표현에 변화를 기대할 수 있다.지금까지 우주에서 행해진 드문 조사는 급격한 변화를 보여주지 않았는데, 아마도 CNS가 적어도 잠시 [16]동안 내부 중력 모델을 계속 사용하고 있기 때문일 것이다.중력 기준 없이 오랫동안 3차원을 처리하는 방식이 더 발전될 것이라고 추측할 수 있다.

우주에서 수행된 추가 조사는 아마도 무중력 상태에서 다른 더 높은 피질 기능이 손상된다는 것을 밝혀낼 것이다.가상현실과 국제우주정거장에서의 유발된 잠재력 측정 및 뇌 지도 제작의 조합은 무중력 상태에서 뇌 기능의 적응 메커니즘에 대한 흥미로운 결과를 제공할 것입니다.

신경과학 및 우주탐사

Voskhod에서 국제우주정거장까지, 우주선은 크기와 편안함이 향상되었고 점점 더 많은 사람들이 궤도로 여행할 수 있게 되었다.하지만, 지난 50년 동안 인간의 모든 우주 비행 경험에도 불구하고, 무중력 상태에 대한 장기간 노출의 부정적인 영향에 대한 완전히 효과적인 대책이나 대책의 조합은 존재하지 않는다.만약 우주 비행사들이 오늘 6개월간의 화성 여행을 떠난다면, 현재 시행되고 있는 대책으로 인해 착륙 [1]후 운용이 어려워질 것이다.

많은 사람들은 화성 중력에 대한 생리적 적응과 지구 중력에 대한 재적응이 화성을 오가는 우주선에서 인공 중력에 자주 노출됨으로써 강화될 것이라고 믿는다.이것은 중력과 유사한 원심력을 생성하기 위해 선상에서의 인간 정격 원심분리기 또는 우주선 회전을 필요로 할 것이다.이 솔루션은 잠재적으로 효과적이기는 하지만 해결해야 할 운영, 엔지니어링 및 생리적인 많은 문제를 야기합니다.무중력이나 지구 중력이 아닌 다른 것에 장기간 노출되었을 때 인간의 생리적인 반응은 알려지지 않았다.정상적인 CNS 기능을 유지하는 데 필요한 최소 중력 수준, 지속 시간 및 빈도를 식별하기 위한 연구가 필요하며,[17] 신체 전체에 걸친 중력 구배의 중요성도 파악해야 한다.

지구의 1-G 환경에서도 CNS의 복잡한 기능이 모든 비밀을 드러낸 것은 아니다.가장 기본적인 우주 신경과학 질문에 답해야 운송 및 행성 운행 시 위험을 최소화하고 승무원 성과를 최적화할 수 있습니다.이 연구 결과는 분명 의학이나 생명공학에서 다른 응용 분야를 찾을 수 있을 것이다.지구의 중력 환경이 감각과 운동 시스템의 진화를 어떻게 형성해 왔는지를 이해하는 우리의 능력은 우리에게 CNS 기능의 기본 메커니즘에 대한 더 명확한 이해를 줄 수 있다.인간의 CNS 기능에 대한 중력의 영향과 이러한 영향이 발생하는 기본 메커니즘에 대한 설명은 우주 비행의 무중력 및 달과 화성 기지의 편중력에 대한 인간의 장기적 노출의 영향을 이해하고 이에 대한 대책을 제공하는 데 직접적인 도움이 될 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크